Способ получения биоцида

Изобретение относится к способу получения биоцида, который заключается в активации бентонита Na-формы ионами натрия путем его обработки водным раствором хлористого натрия с последующим удалением анионов хлора при промывке и фильтровании полученного полуфабриката. Затем полученный полуфабрикат интеркалируют ионами металлов бактерицидного действия обработкой в водных растворах неорганических солей: нитрата серебра, сульфата меди, сульфата или нитрата цинка, при этом соли натрия удаляют при промывке биоцидного продукта деионизованной водой, затем продукт фильтруют, сушат и измельчают до размера частиц 20-150 нм. Процессы активации и интеркалирования осуществляют при воздействии ультразвуком с частотой 20-50 кГц и интенсивностью 10-100 Вт/см², а процесс очистки интеркалированного продукта от солей натрия осуществляют в два этапа: сначала продукт декантируют, а затем промывают в деионизованной воде, содержащей 30 - 100 ppm комплексообразователя ионов щелочных металлов на основе краун-эфиров с молекулярной массой не более 264. Способ направлен на получение эффективного по фунгицидным и бактерицидным свойствам биоцида, используемого в препаратах, составах, композициях. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области производства биоцидов, обладающих фунгицидными и бактерицидными свойствами, предназначенных для использования в гигиене и медицине, в препаратах наружного применения для лечения кожных заболеваний (трофических язв, ожогов, дерматитов и дерматозов), для препаратов других отраслей техники, в частности для обработки тканевых, полимерных, конструкционных изделий, в том числе медицинского назначения.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В практике производства фунгицидов и бактерицидов широко известно использование металлов бактерицидного действия: Ag, Au, Pt, Pd, Cu, и Zn (см. H.E.Morton, Pseudomonas in Disinfection, Sterilisation and Preservation, ed. S.S.Block, Lea and Febider 1977 и N.Grier, Silver and Its Compounds in Disinfection, Sterilisation and Preservation, ed. S.S.Block, Lea and Febiger, 1977).

Известно также, что частицы вещества изменяют свои химические, физические и биологические свойства при их размерности не более 100 нм (нанометровый диапазон).

Известны ультрадисперсные биоциды, содержащие серебро [см. кн. Благитко Е.М. и др. «Серебро в медицине», Новосибирск: Наука-центр, 2004, 256 с.].

В техническом решении по патенту RU №2259871 предложен биоцид в виде коллоидного раствора наноструктурной композиции на основе металлов. Наноструктурную композицию биоцида получают растворением соли металла и водорастворимого полимера в воде и/или в неводном растворителе. Реакционную емкость с полученным раствором продувают газообразным азотом или аргоном и облучают радиоактивным излучением. В качестве соли металла используют соль, по меньшей мере, одного металла, выбираемого из группы, состоящей из серебра, меди, никеля, палладия и платины. Предпочтительно, использование соли серебра, например нитрат, перхлорат, сульфат или ацетат. В качестве полимера используют поливинилпирролидон, сополимеры 1-винилпирролидона с акриловой или винилуксусной кислотами, со стиролом или с виниловым спиртом. В качестве растворителя используют метанол, этанол, изопропиловый спирт или этиленгликоль. Для получения устойчивой эмульсии дополнительно вводят в реакционную емкость поверхностно-активное вещество. Полученный нанокомпозит биоцида на основе металл-полимера используют в качестве противобактериального средства, стерилизатора, дезодорирующего средства.

Однако известный способ получения биоцида является достаточно сложным и дорогостоящим, так как синтез проводится в атмосфере инертного газа и с использованием источника ионизирующего излучения.

В техническом решении [патент РФ №2088234, публ. 1997] предлагается водорастворимая бактерицидная композиция, которая содержит нанокластеры нуль-валентного металлического серебра, стабилизатор коллоидного серебра в виде поли-N-винилпирролидона-2. При получении данной бактерицидной композиции осуществляют восстановление серебра в атмосфере инертного газа при взаимодействии раствора нитрата серебра с водным раствором этилового спирта, содержащим поли-N-винилпирролидона-2. Реакцию проводят в темноте с нагреванием до 65-75°C.

Однако наличие в составе стабилизатора на основе водорастворимого полимера ограничивает технологические возможности использования препарата.

Известно изобретение [патент RU 2278669, публ. 2006 г.], согласно которому водные растворы солей серебра добавляют к водному раствору арабиногалактана. В раствор добавляют гидроксид аммония или натрия. По данным рентгено-дифракционного анализа серебро находится в нуль-валентном состоянии. Полученные серебропроизводные арабиногалактаны могут быть использованы в медицине как антисептические средства наружного применения, как альтернативный антибиотикам лекарственный препарат, а также в качестве компонентов бактерицидных покрытий.

Однако использование стабилизатора - природного полисахарида арабиногалактана, в качестве восстановителя ионов серебра до нуль-валентного состояния, а также одновременно в качестве реакционной дисперсионной среды повышает и увеличивает стоимость препарата.

Таким образом, приведенным выше техническим решениям по получению бактерицидных препаратов свойственна трудоемкость их получения, сравнительно низкая стабильность их жидкостных дисперсий.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение по патенту RU №2330673, публ. 2008 г., заключающееся в получении биоцида на основе интеркалированного ионами металлов бентонита.

В соответствии с известным техническим решением способ получения биоцида, заключается в том, что на первом этапе бентонит Na-формы активируют ионами натрия при обработке водным раствором хлористого натрия с последующим удалением анионов хлора при промывке и фильтровании полученного полуфабриката, на втором этапе, полученный полуфабрикат интеркалируют ионами металлов бактерицидного действия путем обработки в водных растворах неорганических солей этих металлов, удаляют соли натрия при промывке продукта деионизованной водой, фильтруют, сушат и измельчают до дисперсности частиц 20-150 нм.

При интеркаляции в качестве неорганических солей бактерицидных металлов используют нитрат серебра и сульфат меди. На каждом этапе обработку минерала названными водными растворами производят при соотношении: бентонит: раствор, как 1:(10-40), вес.ч. В процессе интеркаляции обрабатываемый полуфабрикат бентонита выдерживают в указанных солевых растворах в течение 12-24 час. Для удаления анионов хлора и солей натрия производят многократную промывку бентонита с использованием деионизированной воды.

Полученный биоцид используют в качестве добавок при изготовлении строительных сухих смесей, в медицине и ветеринарии для антимикробной обработки поврежденных зон тканей живых организмов, в составе мазей или гелей, препаратов для обработки поверхностей конструкционных изделий, для обработки текстильных изделий.

Используемый для получения биоцида бентонит Na-формы (монтмориллонит) относится к слоистым глинистым минералам, обладающих определенной емкостью катионного обмена, величина которой определяет количество обменных катионов (выраженное в мг-эквивалентах), способных к замещению на катионы другого типа. Выбранный минерал (монтмориллонит) обладает самой высокой емкостью катионного обмена.

Процессы активации, интеркалирования в значительной степени зависят от размеров и удельной поверхности агрегатных частиц бентонита, их гидрофильности.

При реализации известного решения размер и удельная поверхность частиц бентонита, их гидрофильность, в основном, зависят от процесса размягчения и расслоения агрегатных частиц бентонита под действием обрабатывающих водных систем, что увеличивает затратную часть воды, реактивов и времени на получение биоцида.

Биоцидные свойства получаемого продукта определяются и степенью его очистки от обменных щелочных металлов. В известном способе процесс очистки сопровождается многократной промывкой продукта деионизированной водой, что увеличивает затратную часть на получение биоцида, снижает концентрацию ионов металлов бактерицидного действия в получаемом биоциде и не исключает наличие в получаемом продукте ионов щелочных металлов.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническим результатом изобретения является получение эффективного по бактерицидным и фунгицидным свойствам биоцида на основе интеркалированного ионами металлов бентонита за счет менее затратного по используемым реактивам и времени технологического процесса.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности действия биоцида при его использовании в препаратах, составах, композициях, предназначенных для бактерицидной и фунгицидной обработки.

Для решения поставленного технического результата предложен способ получения биоцида, заключающийся в том, что на первом этапе бентонит Na-формы активируют ионами натрия при обработке водным раствором хлористого натрия с последующим удалением анионов хлора при промывке и фильтровании, на втором этапе полученный полуфабрикат интеркалируют ионами металлов бактерицидного действия путем обработки в водных растворах неорганических солей этих металлов, удаляют соли натрия при промывке продукта деионизованной водой, фильтруют, сушат и измельчают до дисперсности частиц 20-150 нм, в котором, согласно изобретению, процессы активации и интеркаляции бентонита осуществляют при использовании ультразвука с частотой 20-50 кГц и интенсивностью 10-100 Вт/см², а процесс очистки интеркалированного продукта от солей натрия производят в два этапа, на первом - продукт декантируют, а на втором этапе промывают в деионизованной воде, содержащей 30 ppm - 100 ppm комплексообразователя ионов щелочных металлов на основе краун-эфиров с молекулярной массой не более 264.

Согласно изобретению, этап активации бентонита Na-формы ионами натрия осуществляют при использовании 3-7% водного раствора хлористого натрия, а на этапе интеркаляции используют 8-15% водные растворы неорганических солей металлов бактерицидного действия.

Согласно изобретению, при активации бентонита Na-формы ионами натрия, предпочтительно, используют 3% водный раствор хлористого натрия и обработку осуществляют при соотношении: бентонит: водный раствор, как 1:(10-40), вес.ч.

Согласно изобретению, для интеркаляции полуфабриката бентонита, предпочтительно, используют 9% водный раствор неорганических солей металлов бактерицидного действия и обработку указанного минерала осуществляют при соотношении: бентонит: водный раствор, как 1:(10-40), вес.ч.

Согласно изобретению, в качестве неорганических солей металлов бактерицидного действия используют нитрат серебра, сульфат меди, сульфат или нитрат цинка.

Согласно изобретению, в качестве комплексообразователя ионов щелочных металлов используют краун-эфир 18-краун-6.

При реализации заявляемого изобретения получают менее затратный по используемым реактивам и времени технологический процесс получения биоцида на основе наночастиц бентонита интеркалированных ионами металлов бактерицидного действия, обеспечивающий эффективное бактерицидное и фунгицидное действие на микроорганизмы и колонии грибов при обработке поверхностей различных тканевых, полимерных, конструкционных (в т.ч. медицинских) изделий, при наружной обработке кожных покровов теплокровных.

Достигаемый изобретением технический результат объясняется:

использованием для изготовления препарата природного минерала в виде бентонита Na-формы, для структурного строения кристаллической решетки которого характерно послойное расположение «пакетов» отрицательно заряженных алюмокислородных и кремнекислородных соединений, которые имеют высокую сорбционную активность;

использованием для получения биоцида ультразвука, воздействующего на водные системы бентонита с заданной частотой и интенсивностью, что повышает удельную поверхность частиц, непосредственно участвующих в процессах активации и интеркаляции. При диспергировании натриевых бентонитов в воде с использованием ультразвуковой энергии, частицы монтмориллонита разделяются и расслаиваются (деламинируют), т.е. возрастает их активная поверхность;

использованием двух этапов для процесса очистки интеркалированного продукта от солей натрия, соответственно, декантирования и промывки продукта деионизованной водой, содержащей комплексообразователь ионов щелочных металлов - краун-эфир 18-краун -6, что приводит к экстрагированию щелочного металла - натрия из раствора. За счет удержания ионов натрия во внутримолекулярной полости краун-эфиров в процессе промывки продукта существенно снижается вероятность обратного интеркаляционного обмена ионов серебра на ионы натрия, что улучшает качественные характеристики биоцида.

При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений с совокупностью признаков соответствующих заявляемому техническому решению и реализующих вышеописанный результат.

Приведенный анализ известного уровня техники свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна», «изобретательский уровень».

Заявляемое техническое решение может быть промышленно реализовано для получения препаратов, предназначенных для антимикробной обработки раневых, ожоговых, язвенных зон кожных покровов, для профилактической антимикробной и фунгицидной обработки поверхностей тканевых, полимерных, конструкционных (в т.ч. медицинских) изделий.

Сущность изобретения поясняется рекомендациями относительно выбора сырьевых компонентов для получения биоцида, примерами его получения, результатами испытаний, в том числе чертежом, иллюстрирующими биоцидные активности биоцидов по изобретению и известному техническому решению.

Для получения биоцида используют готовые к применению медицинское и лабораторное оборудование, товарные продукты, а также известные технологические процессы:

бентонит (монтмориллонит) Na-формы, что является наиболее предпочтительным для реализации технологического процесса получения биоцида;

нитрат серебра (AgNO₃); сульфат меди (CuSO₄); хлорид цинка (ZnCl₂) или сульфат цинка, натрий хлористый (NaCl);

комплексообразователь ионов щелочных металлов: краун-эфир 18-краун-6, имеющий молекулярную массу 264, относящийся к макроциклическим полиэфирам. Краун-эфир 18-краун-6 - белый кристаллический порошок с температурой плавления 38,6-39,4°C;

деионизованная вода;

ультразвуковая установка Bandelin Sonopuls HD2070.

При реализации изобретения на основе указанных выше компонентов, заданного их весового соотношения и оборудования, получают биоцид, обладающий антимикробным и фунгицидным действием.

Реализация изобретения при изменении состава используемых компонентов, заданного весового соотношения их, при изменении технологических режимов и операций приведет к ухудшению эксплуатационных свойств изготавливаемого по изобретению биоцида или к удорожанию процесса его получения.

Реализация изобретения при несоответствии установленным параметрам ультразвукого воздействия в процессе активации и интеркаляции бентонита приведет к ухудшению эксплуатационных свойств биоцида или к увеличению технико-эксплуатационных затрат. При снижении частоты и интенсивности ультразвука ухудшаются процессы активации и интеркаляции, а повышение частоты и интенсивности ультразвука приводит к повышению температуры обрабатываемой системы, к отрицательным кавитационным эффектам, а также к повышенным эксплуатационным и энергетическим затратам.

Реализации изобретения поясняется следующими этапами и конкретными примерами его выполнения:

1 этап - изготовление полуфабрикатов бентонита.

На данном этапе получают полуфабрикаты бентонита по примерам 1 и 2.

Пример 1 - Бентонит (монтмориллонит) Na-формы в количестве 10 г заливают 3% водным раствором NaCl, при соотношении: бентонит: раствор, как 1:40, вес.ч. Осуществляют ультразвуковую обработку системы «бентонит-обрабатывающий раствор» при ультразвуке с частотой 20 кГц и интенсивностью 15 Вт/см² в течение 15 мин, в результате происходит диспергирование системы с одновременной активацией ионами натрия частиц бентонита в растворе. В процессе ультразвуковой обработки температура обрабатываемой системы увеличивается на 5°C. Затем осуществляют не менее двух раз промывку полуфабриката деионизованной водой для удаления анионов хлора, производят фильтрацию через фильтр «белая лента» и сушку.

Пример 2 - Бентонит (монтмориллонит) Na-формы в количестве 10 г заливают 5% водным раствором NaCl, при соотношении: бентонит: раствор, как 1:40, вес.ч., выдерживают в течение 12 час в данном растворе для активации агрегатных частиц бентонита ионами натрия. Производят многократную (не менее двух раз) промывку полуфабриката деионизованной водой для удаления анионов хлора, осуществляют фильтрацию через фильтр «белая лента» и сушку.

2 этап - получение биоцида

На данном этапе из полуфабрикатов бентонита первого этапа получают биоцид на основе наноструктруированного бентонита интеркалированного ионами металлов бактерицидного действия по следующим примерам:

Пример 1.1

Полученный по примеру 1 полуфабрикат заливают 9% водным раствором нитрата серебра (при красном освещении). Осуществляют ультразвуковую обработку системы «бентонит-обрабатывающий раствор» с частотой ультразвука 30 кГц и интенсивностью 15 Вт/см², в течение 20 мин. Происходит диспергирование системы «бентонит-обрабатывающий раствор» и реакции ионного замещения катионов натрия (Na⁺) на катионы серебра (Ag⁺). Процесс осуществляется при температуре не более 35°C. Полученную после ультразвуковой обработки суспенцию декантируют с получением влажного остатка, который затем подвергают промывке в деионизованной воде с добавлением в нее краун-эфира 18-краун-6. Концентрация краун-эфира 18-краун-6 в деионизованной воде составила 40 ppm (40 мг) на один литр воды. Осуществляют фильтрацию и сушку, предпочтительно, при температуре не более 80°C. Полученный продукт после сушки измельчают.

При осуществлении указанных этапов обработки получен интеркалированный ионами серебра Ag⁺ бентонитовый порошок. Полезный выход продукта 9,8 г.

Пример 1.2

Тот же процесс, что и в примере 1.1 при использовании 9% водного раствора сульфата меди (CuSO₄). В процессе реакций ионного обмена происходит замещение катионов натрия (Na⁺) на катионы меди (Cu²⁺). Выход продукта 9,8 г.

Пример 1.3

Тот же процесс, что и в примере 1.1 при использовании 9% водного раствора хлорида цинка (ZnCl₂). В процессе реакций ионного обмена происходит замещение катионов натрия (Na⁺) на катионы цинка (Zn²⁺). Выход продукта 9,8 г.

Пример 2.1

Полученный по примеру 2 полуфабрикат заливают 10% водным раствором нитрата серебра (при красном освещении). Осуществляют выдержку в течение 20 час, в результате происходит размягчение агрегатных частиц бентонита их расслаивание с реакциями ионного замещения катионов натрия (Na⁺) на катионы серебра (Ag⁺). Процесс осуществляют при температуре не более 30°C. Полученную суспенцию декантируют с получением влажного остатка бентонита, который затем подвергают промывке в деионизованной воде. Процесс промывки осуществляют многократно не менее пяти раз. Осуществляют фильтрацию и сушку, предпочтительно, при температуре не более 80°C. Полученный препарат после сушки измельчают. Полезный выход продукта 9,7 г

Технологический процесс получения биоцида по примеру 2.1 осуществлен в соответствии с известным решением по патенту №2330673.

В биоцидах по примерам 1.1-1.2 и 2.1 исследовалось содержание серебра и меди. Для исследований использовался метод количественного анализа, основанный на измерении объема или массы реагента, требующегося для реакции с исследуемым веществом - титриметрический анализ.

Титриметрический анализ по определению количества серебра и меди в полученных примерах осуществляли с использованием индикаторов, фиксирующих точку эквивалентности титрования.

Так, например, при проведении титриметрического анализа по определению в исследуемых образцах мас.% содержания серебра были использованы в качестве реагентов разложения смесь серной и азотной кислот, в качестве раствора титранта-раствор роданида аммония (или калия), в качестве индикатора - раствор железоаммонийных квасцов.

В результате проведенных исследований было установлено, что исследуемый образец (пример 1.1) содержит 2,95 мас.% серебра.

Исследуемый образец (пример 2.1) содержит 2,35 мас.% серебра.

Содержание меди и цинка в образцах (примеры 1.2 и 1.3) - 2,85 мас.%.

Приведенные исследования свидетельствуют об эффективности технологического процесса получения биоцида по изобретению.

Для подтверждения эффективности технического решения по изобретению полученные по примерам 1.1 и 2.1 биоциды исследовались методом ИК-спектроскопии (инфракрасной спектроскопии). Исследовалось состояние и степень эффективности интеркаляции нанодисперсных частиц бентонита (монтмориллонита) в Ag-форме. Для сравнительного исследования были использованы водные растворы биоцидов в Ag-форме по примеру 1.1 и примеру 2.1.

В результате исследований установлено, что ИК-спектры испытанных биоцидов в Ag-форме существенно отличаются по содержанию ионов серебра (Ag⁺) в межпакетном пространстве интеркалированного бентонита (чертеж).

Для подтверждения эффективности бактерицидных и фунгицидных свойств биоцида полученного по изобретению были проведены оценочные испытания биоцидов по примерам 1.1-1.3 и 2.1.

Оценочные испытания осуществлялись с использованием Инструкции «Контроль стерильности перевязочных материалов» РД64-051-87, которая соответствует стандартным способам определения микроорганизмов на обрабатываемых поверхностях марлевых, тканевых бинтов, салфеток и пр., на металлических и силиконовых поверхностях медицинского оборудования и др.

Испытания проводились в стерильных условиях с использованием простерилизованного оборудования и материалов. Для испытаний были использованы:

чашки Петри (ЧП), обработанные простерилизованным мясопептонным бульоном (МПБ) с pH 7,2-7,4. Толщина слоя охлажденного МПБ - 2-3 мм;

простерилизованные марлево-ватные тампоны (образцы). Количество исследуемых образцов обработанных препаратами по примерам 1.1-1.3, 2.1 соответствует количеству исследований по определению на обработанных материалах микроорганизмов Staphylococcus aureus, дрожжевых клеток Candida utilis.

Исследования проводили на 4, 8, 10, 14 сутки при выдержке в обычных условиях марлево-ватных образцов, размещенных в обработанных МПБ чашках Петри. Перед выдержкой исследуемые образцы были обработаны полученными препаратами в количестве: 3 г препарата на 1 см².

При исследовании образцов, обработанных препаратами по примерам 1.1- 1.3, 2.1 установлено:

отсутствие колоний микроорганизмов Staphylococcus aureus и Candida utilis на поверхности исследуемых образцов, обработанных препаратами по примерам 1.1 и 1.2-1.3. соответственно на 12 сутки и 10 сутки;

отсутствие колоний микроорганизмов Staphylococcus aureus на поверхности исследуемых образцов, обработанных препаратом по примеру 2.1 на 8 сутки.

Таким образом, при реализации изобретения обеспечивается высокая эффективность бактерицидных и фунгицидных свойств биоцида:

для антимикробной обработки раневых, ожоговых, язвенных зон кожных покровов;

для обработки поверхностей тканевых, полимерных, конструкционных изделий. Полученный биоцид не имеет противопоказаний и обладает высокими сорбционными, ионообменными и противовоспалительными свойствами.

1. Способ получения биоцида, заключающийся в том, что на первом этапе бентонит Na-формы активируют ионами натрия при обработке водным раствором хлористого натрия с последующим удалением анионов хлора при промывке и фильтровании, на втором этапе полученный полуфабрикат интеркалируют ионами металлов бактерицидного действия путем обработки в водных растворах неорганических солей этих металлов, удаляют соли натрия при промывке продукта деионизованной водой, фильтруют, сушат и измельчают до дисперсности частиц 20-150 нм, отличающийся тем, что процессы активации и интеркаляции бентонита осуществляют при использовании ультразвука с частотой 20-50 кГц и интенсивностью 10-100 Вт/см², а процесс очистки интеркалированного продукта от солей натрия производят в два этапа, на первом продукт декантируют, а на втором этапе промывают в деионизованной воде, содержащей 30 - 100 ppm комплексообразователя ионов щелочных металлов на основе краун-эфиров с молекулярной массой не более 264.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап активации бентонита Na-формы ионами натрия осуществляют при использовании 3-7%-ного водного раствора хлористого натрия, а на этапе интеркаляции используют 8-15%-ные водные растворы неорганических солей металлов бактерицидного действия.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при активации бентонита Na-формы ионами натрия предпочтительно используют 3%-ный водный раствор хлористого натрия и обработку указанного минерала осуществляют при соотношении: бентонит:водный раствор как 1:(10-40), вес.ч.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для интеркалирования ионами металлов полуфабриката бентонита предпочтительно используют 9%-ный водный раствор неорганических солей металлов бактерицидного действия и обработку указанного минерала осуществляют при соотношении: бентонит:водный раствор как 1:(10-40), вес.ч.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве неорганических солей металлов бактерицидного действия используют нитрат серебра, сульфат меди, сульфат или нитрат цинка.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве комплексообразователя ионов щелочных металлов используют краун-эфир 18-краун-6.